張開遜

19世紀(jì)末，德國工程師戴姆勒（1834-1900）發(fā)明了汽油內(nèi)燃機(jī)，這種汽油內(nèi)燃機(jī)的重量很輕，能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的動力，它直接導(dǎo)致汽車誕生，也為飛機(jī)問世提供了最重要的技術(shù)基礎(chǔ)。1903年12月17日，美國發(fā)明家萊特兄弟利用內(nèi)燃機(jī)，首次實現(xiàn)了載人的有動力飛行。

萊特兄弟出生在美國北卡來羅納州一個牧師家庭，他們沒有上過大學(xué)。1895年，他們開了一間修理裝配自行車的作坊。然而，他們對飛行有濃厚的興趣，自修德文，閱讀了李林塔爾的著作，并向美國史密森學(xué)會（這是一個專門探究自然奧秘，并向公眾傳播科學(xué)的民間團(tuán)體）索取了大量關(guān)于飛行的資料。在1900～1902年間，他們先后制造了3架滑翔機(jī)，進(jìn)行了上千次飛行，反復(fù)改進(jìn)其飛行能力和操縱性能。1901年9月，他們自己動手設(shè)計了一個小型風(fēng)洞，以精確測量氣流在機(jī)翼上產(chǎn)生的升力以及控制板偏轉(zhuǎn)時使飛機(jī)轉(zhuǎn)向的力，獲得了設(shè)計飛機(jī)最重要的數(shù)據(jù)。

1902年，萊特兄弟完成了內(nèi)燃機(jī)動力飛機(jī)設(shè)計。然而，當(dāng)時沒有人愿意為他們制造飛機(jī)專用的內(nèi)燃機(jī)和螺旋槳，很多人認(rèn)為這是無謂的冒險。他們只好從頭學(xué)習(xí)發(fā)動機(jī)和推進(jìn)器知識，摸索加工工藝，自己制造了一臺小巧緊湊、具有4個汽缸的汽油內(nèi)燃機(jī)，這臺汽油內(nèi)燃機(jī)重82千克，能夠產(chǎn)生13馬力功率，比蒸汽機(jī)輕得多。他們還自己設(shè)計、制造了幾副螺旋槳。

一年之后，萊特兄弟精心設(shè)計的這架飛機(jī)裝配完畢，它是人類歷史上第一架使用內(nèi)燃機(jī)動力的飛機(jī)。試飛那天，飛機(jī)被人用小車推到基蒂霍克海灘，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)動后，螺旋槳轉(zhuǎn)速加快，飛機(jī)與小車一起向前滑行，不久飛機(jī)離開小車升上天空。由于這架飛機(jī)沒有輪子，降落的時候只能靠飛行員精確地操縱油門和控制板使飛機(jī)減速，隨著升力減小，機(jī)身刮蹭著地面停下來。

這一天共進(jìn)行了四次飛行。第一次由弟弟奧維爾·萊特駕駛飛機(jī)，在空中搖搖晃晃飛行了12秒鐘，降落在36米遠(yuǎn)的地方。第四次由哥哥威爾伯·萊特駕駛飛機(jī)，在空中搖搖晃晃飛行了59秒鐘，飛行了260米。

萊特兄弟駕機(jī)飛行的當(dāng)天，有一名小報記者在場。人們問他如何報道，他不屑地說：“59秒算什么？59分鐘還差不多！”然而他并未意識到，人類從此進(jìn)入了飛行時代，飛機(jī)將改變?nèi)祟惖幕顒臃绞健?/p>

1905年，萊特兄弟的飛機(jī)飛行距離已經(jīng)達(dá)到32千米。1906年，歐洲第一架飛機(jī)升空。1908年，奧維爾·萊特駕駛的飛機(jī)失事，一道登上飛機(jī)的同伴當(dāng)場死亡，成為飛機(jī)空難的第一位犧牲者，而奧維爾·萊特身負(fù)重傷，4年后故去。

1909年，倫敦《每日郵報》設(shè)獎懸賞駕機(jī)飛越英吉利海峽者，膽大的法國人布里奧羅用37分鐘從法國越過海峽飛到了英國。1912年，人們發(fā)明了可在水面上起飛降落的單翼飛機(jī)，飛行速度達(dá)每小時161千米。飛機(jī)問世尚不足10年，其速度已超過人類步行速度的20倍。不過，在當(dāng)時人們的心目中，飛機(jī)仍然被視作一種冒險的玩具。

第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，飛機(jī)迅速成為新式武器并首先被用于偵察。敵對雙方飛行員在空中相遇，有時揮手致意，有時拔出手槍相互射擊。機(jī)槍發(fā)明之后，人們打算把它搬上飛機(jī)，但遇到了一大難題：朝前方開槍的時候會射中自己的螺旋槳。后來，德國人福克發(fā)明了一種高速旋轉(zhuǎn)的聯(lián)動齒輪機(jī)構(gòu)，使機(jī)槍只在旋轉(zhuǎn)的螺旋槳露出空隙時才發(fā)射子彈。此后，飛機(jī)開始用連發(fā)的機(jī)槍攻擊地面的目標(biāo)，激烈的空戰(zhàn)隨之出現(xiàn)。由于裝備機(jī)槍的飛機(jī)在空戰(zhàn)的時候總想繞到敵方身后攻擊，很像兩只打架的狗都想咬對方的尾巴，所以“空戰(zhàn)”在英語中又名“狗打架”。

飛機(jī)的發(fā)明，使在陸地和海上進(jìn)行的平面戰(zhàn)爭發(fā)展成為包括天空在內(nèi)的立體戰(zhàn)爭。第一次世界大戰(zhàn)初期，參戰(zhàn)各國約有飛機(jī)1500架。4年之后，在前線作戰(zhàn)的飛機(jī)已多達(dá)8000架。第一次世界大戰(zhàn)后期，轟炸機(jī)出現(xiàn)，曾轟炸過法國巴黎、英國倫敦和德國的一些城市。

第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，大批飛行員失業(yè)，但人們對飛行的興趣有增無減。有的飛行員開始為公眾做特技飛行表演，有的飛行員則渴望打破空中飛行時間和飛行距離紀(jì)錄。1919年，兩名英國飛行員駕駛轟炸機(jī)從紐芬蘭飛越大西洋到達(dá)愛爾蘭，途中曾遭遇高空風(fēng)暴，他們不得不爬出機(jī)艙，清除凍結(jié)在機(jī)翼上的冰。1927年，美國飛行員林德伯格（1902-1974）單人駕駛郵政飛機(jī)，在沒有無線電通信的情況下，從美國紐約飛行34小時到達(dá)法國巴黎。4年之后，飛行員赫爾頓和潘波駕機(jī)飛越太平洋。時隔一年，美國女飛行員埃米利亞單人駕機(jī)飛越大西洋。不幸的是，5年之后，她駕機(jī)環(huán)球飛行時消失在太平洋上空。1933年，波斯特首次完成單機(jī)環(huán)球飛行，中途降停11次，用了7天又8個小時。1938年，飛行員休斯使環(huán)球飛行的時間減少到3天又19小時。

發(fā)明家的智慧和飛行員的冒險精神，共同推進(jìn)了航空技術(shù)的進(jìn)步。到20世紀(jì)30年代，飛機(jī)已經(jīng)變得更大、更結(jié)實、更快，時速達(dá)到480千米。這時，世界上出現(xiàn)了許多定期的客運、貨運航線。與此同時，達(dá)·芬奇曾經(jīng)構(gòu)想的可以垂直起降的直升機(jī)也已問世，并于1940年投入使用。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，進(jìn)一步刺激了航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)由戰(zhàn)爭武器的“配角”一躍而成“主角”。此間德國人發(fā)明了配備三門火炮和兩挺機(jī)槍的戰(zhàn)斗機(jī)，日本人發(fā)明了操縱靈活的“零”式戰(zhàn)斗機(jī)。1941年12月，日本出動100多架“零”式戰(zhàn)斗機(jī)偷襲美國珍珠港，摧毀了美軍在太平洋上最大的海軍基地。美國則多次利用在航空母艦上起飛的飛機(jī)，殲滅日本在海上游弋的艦隊。美國和英國還聯(lián)合研制了巨大的遠(yuǎn)程轟炸機(jī)，被稱為“空中堡壘”，其飛行距離超過8000千米。1945年8月，美軍出動“空中堡壘”，攜帶原子彈轟炸了日本廣島。此前，美軍轟炸東京，其出動的飛機(jī)多達(dá)500架。

20世紀(jì)30年代，英國人惠特爾和德國人馮奧海分別發(fā)明了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，利用向后噴出的高速燃?xì)猱a(chǎn)生巨大推進(jìn)力，使飛機(jī)速度迅速提高。這種噴氣式飛機(jī)飛行更加靈活，可以瞬間突然加速擺脫敵方的追擊。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國大力發(fā)展噴氣飛行技術(shù)。1947年，美國人用一架重型轟炸機(jī)運載小型噴氣式飛機(jī)到9150米高空放飛，這架噴氣式飛機(jī)的速度超過了聲音，成為人類歷史上第一架超音速飛機(jī)。在朝鮮戰(zhàn)爭（1950-1953）中，噴氣式飛機(jī)首次參加了大規(guī)模實戰(zhàn)。

1960年，美國人發(fā)明了速度達(dá)到聲音5倍的噴氣式飛機(jī)，專門用于間諜偵察。1969年，英國和法國合作研制成功超音速噴氣式客機(jī)，并于1973年投入商業(yè)運營，其載客100名，可在3小時之內(nèi)由巴黎飛到紐約。1974年，美國研發(fā)的巨型噴氣式客機(jī)投入運營，載客500名，可以不著陸連續(xù)飛越半個地球。

1925年，德國《航空》雜志刊載一篇文章，預(yù)測“什么人將最適合乘坐飛機(jī)”。其結(jié)論是三種人：漂亮的模特兒、精明的律師和有錢的商人。今天，飛機(jī)已經(jīng)成為大眾交通工具，每天全球乘飛機(jī)出行的人數(shù)以百萬計。

飛機(jī)的發(fā)明，對人類文明進(jìn)程無疑產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。飛機(jī)加快了世界的節(jié)奏，提高了人類活動的效率。一位哲學(xué)家曾經(jīng)說過：“一切財富最終歸結(jié)為時間的節(jié)約。”在這種意義上，飛機(jī)對人類社會的價值不可估量。

借助氣球和飛機(jī)，人類只能在大氣圈內(nèi)飛行，然而人類還想去更遠(yuǎn)的地方。

早在17世紀(jì)，德國天文學(xué)家開普勒在發(fā)現(xiàn)行星運動三定律時，曾以極其浪漫的筆調(diào)撰寫了一部傳播天文知識的寓言小說《月球天文學(xué)》，假托夢境述說一個旅行者登臨月球的故事，旅行者去月球的細(xì)節(jié)和幾百年之后發(fā)生的真實情況十分相似。小說中這樣寫道：“最初的動作非常不舒服而且很危險，因為旅行者是被猛扯上去的，就像給火藥爆炸推出去一樣。在同溫層上空，旅行者遭遇到嚴(yán)寒，而且沒有可供呼吸的空氣，旅行者還會感到失重。”開普勒是極審慎的科學(xué)家，不愿意對前往月球的方法妄加猜測，只說旅行者是“被妖精送上去的”。200年后，法國科學(xué)幻想大師儒勒·凡爾納（1828-1905）在他的小說《月球旅行》中，用一門275米長的“超級大炮”把旅行者送上了月球。

人類要離開地球到太空去，會遇到兩大難題：第一，需要克服地球的引力，引力就像一條看不見的繩子，拴著地球上的一切物體；第二，遠(yuǎn)離地球之后沒有空氣，氣球和飛機(jī)在太空都不能飛行。這時，人們想到了火箭。

火箭發(fā)明于古代中國，800多年前，火箭已經(jīng)成為中國北宋時期的一種民間玩具。史書上還有關(guān)于宋代士兵用火箭攻打蒙古族軍隊的實戰(zhàn)記載。當(dāng)時火箭的燃料是黑火藥，殼體是紙或竹筒。

18世紀(jì)初，印度軍隊在抗擊英國殖民者的戰(zhàn)爭中曾多次使用火箭。1804年，在印度作戰(zhàn)的英國軍官康格里夫（1772-1828）改造了這種火箭，他采用金屬筒裝火藥，尾部加上一根細(xì)細(xì)的長桿用以提高飛行的穩(wěn)定性。他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射角為55度時，火箭射程最遠(yuǎn)。1805年，康格里夫的火箭被用來攻擊法國軍隊。1807年，英國用它攻打丹麥的哥本哈根，射程達(dá)到2000米以上，一枚火箭裝填彈藥達(dá)到3千克。這次戰(zhàn)役之后，英國建立了世界上最早的火箭特種部隊。后來，英國人哈爾用三片精細(xì)加工的尾翅代替康格里夫的導(dǎo)向桿，進(jìn)一步提高了火箭的命中精度。19世紀(jì)90年代，發(fā)明家泰德·昂吉采用威力更大的火藥，并且使火箭在飛行中高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高了火箭的射程和命中率，使其能夠與當(dāng)時的大炮媲美。這些努力把固體燃料火箭的潛力發(fā)揮到極致，為后來火箭技術(shù)的發(fā)展積累了重要的資料。

牛頓力學(xué)誕生之后，科學(xué)家根據(jù)萬有引力定律和地球、太陽的天文數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出驚人的結(jié)論：在地球表面上空的物體如果沿水平方向高速運動，當(dāng)速度達(dá)到每秒7.91千米時，物體受到的離心力將抵消地心引力，不會落回地面，成為繞地球軌道運行的衛(wèi)星；當(dāng)速度超過每秒11.18千米時，可以逃出地球引力的控制，離開地球進(jìn)入太陽引力范圍，成為太陽系中的一顆行星；當(dāng)速度超過每秒16.3千米時，可以離開太陽系進(jìn)入外太空，在銀河系漫游。人們把這三個數(shù)值分別稱作第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

火箭是唯一可以達(dá)到這種速度的運載工具。1903年，俄國學(xué)者齊奧爾柯夫斯基（1857-1935）提出了利用液體燃料火箭探測宇宙空間的構(gòu)想，并推導(dǎo)出了火箭速度的計算公式。他后來還論證單級火箭難以達(dá)到第一宇宙速度，并提出了多級火箭的設(shè)想。齊奧爾柯夫斯基是一位偉大的航天理論家，然而作為中學(xué)教員，當(dāng)時他沒有實踐的條件。

從理論上講，借助火箭實現(xiàn)宇宙航行沒有任何困難。如果火箭同時帶有燃料和供燃燒使用的氧，可在太空飛行過程中多次加速，達(dá)到飛離太陽系所需速度；如果在火箭飛行過程中控制其燃?xì)鈬姲l(fā)的方向和強(qiáng)度，便可自如地調(diào)節(jié)火箭在太空運動的姿態(tài)和速度，還可使它在星球上緩緩地著陸。太空飛行沒有空氣阻力，一旦脫離地球大氣圈，火箭就可依慣性運動，自由飛行，不再需要消耗能量。人類可以利用火箭到達(dá)宇宙間遙遠(yuǎn)的地方。

美國物理學(xué)家戈達(dá)德（1882-1945）最先將液體燃料火箭的構(gòu)想付諸實踐。他從小即對火箭著迷，上中學(xué)時讀過英國歷史學(xué)家威爾斯（1866-1946）的名著《星際戰(zhàn)爭》，他想象如果未來發(fā)生戰(zhàn)爭，應(yīng)該有辦法使人類遷移至其他星球。1909年，戈達(dá)德提出液氫和液氧組合是液體燃料火箭推進(jìn)劑的最佳選擇。1919年，他發(fā)表專著《到達(dá)極端高空的方法》，如今這部書已成為宇宙航行與火箭技術(shù)的經(jīng)典文獻(xiàn)。1926年，他發(fā)現(xiàn)汽油與液態(tài)氧組合是更為切合實際的火箭推進(jìn)劑，并在馬薩諸塞州成功發(fā)射世界上第一枚液體燃料火箭。這枚火箭重4.5千克，飛行時間2秒半，飛行高度12米，飛行距離56米。

當(dāng)戈達(dá)德埋頭研究火箭的時候，幾乎所有的人都嘲笑他，說“這個從月球上來的人，古怪荒唐，精神有毛病”。然而，戈達(dá)德堅信自己已為人類未來宇宙航行找到了合適的交通工具。1927年，他為自己在1919年寫的一篇文章《最后的遷移》追加了一段話：“探測太陽系之外的恒星，應(yīng)該選擇海王星的第一顆衛(wèi)星作為出發(fā)點。在那里裝配設(shè)備，使火箭點火起飛?！笨紤]到貿(mào)然發(fā)表未免過于大膽，他把這份手稿放入一位朋友的保險柜，封面上有段警告：“這些筆記只能由樂觀主義者閱讀?！?/p>

1929年7月，在一次試驗中，戈達(dá)德的火箭發(fā)生爆炸。這次事故成為一件公眾新聞，他被警察局禁止繼續(xù)做試驗，他的實驗室也被查封。后來，曾單人駕機(jī)首航越過大西洋的飛行員林德伯格利用自己的聲望幫助他獲得了一筆數(shù)額不大的研究基金，警察局也做出讓步，同意戈達(dá)德繼續(xù)試驗，但條件是必須挪地方。

1930年，戈達(dá)德把實驗室搬至新墨西哥州的荒原，并建立了世界上第一個專業(yè)的火箭試驗場。1935年，戈達(dá)德的液體燃料火箭飛行距離達(dá)到2500米。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，戈達(dá)德多次上書美國政府，希望支持他的火箭研制工作，但當(dāng)局未予理睬。不久后，他因患喉癌去世，未能看到自己的火箭升上太空。

作為液體燃料火箭的先驅(qū)，戈達(dá)德完成了現(xiàn)代火箭技術(shù)中許多重要的基礎(chǔ)性發(fā)明，其中包括完整的火箭總體設(shè)計、最早的火箭發(fā)射程序、精確控制火箭飛行路線的陀螺儀，以及跟蹤火箭飛行軌跡的光學(xué)觀測系統(tǒng)等。戈達(dá)德的理論研究和探索實踐，為現(xiàn)代火箭技術(shù)奠定了基礎(chǔ)（未完待續(xù)）。